缺氧誘導因子-1α和幽門螺桿菌在胃癌中的研究進展△

李文茜，王學紅，朱思雨，劉曙

1青海大學研究生院，西寧 810016

2青海大學附屬醫院消化內科，西寧 810000

胃癌是一種起源于胃黏膜上皮細胞的惡性腫瘤，其惡性程度高、異質性強、預后較差[1]，發病率和病死率在惡性腫瘤中均居前列，對人類的健康和生命安全產生巨大的威脅[2]。腫瘤快速和不受控制的增殖限制了氧氣的供應，因此血液供應不足或缺氧是幾乎所有實體瘤的典型微環境特征[3-4]。研究報道證明，缺氧在腫瘤形成過程中具有重要作用[5]。缺氧產生瘤內氧梯度，有助于腫瘤的可塑性和異質性，并促進更具侵襲性和轉移性的表型[6]，在這個過程中，一個關鍵的標志就是缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的表達增加，HIF-1α在因缺氧而觸發的細胞機制中發揮著核心作用，是目前發現的唯一一個在缺氧狀態下可以發揮活性的核轉錄因子，是專一調節氧穩態的關鍵性介質[7]。幽門螺桿菌（Helicobacter pylori，Hp）是一種革蘭陰性微需氧細菌[8]，與胃炎、消化性潰瘍和胃癌等多種胃病的發展有關[8]，Hp也被世界衛生組織（WHO）列為胃癌的最高警示級別的Ⅰ類致癌物。本綜述簡要總結了Hp感染與HIF-1α之間的相關性，以及兩者的相互作用對胃癌產生所起的關鍵作用，為進一步研究提供幫助。

1 Hp與胃癌

Hp感染被廣泛認為會增加患胃癌的風險，其可以獨特地在惡劣的胃環境中存在數十年，會破壞胃黏膜并改變胃激素釋放模式，從而影響胃生理[9-10]。Hp通過利用各種毒力因子，靶向不同的細胞蛋白來調節宿主的炎癥反應，同樣會改變胃微生物群的組成[11]和許多信號通路，導致了有利于細胞增殖和凋亡的矛盾反應，這些改變可能會增加患胃癌的風險，并且是造成大約90%的腸型胃癌的原因[12]。WHO在1994年根據觀察性研究將Hp歸類為胃癌Ⅰ類致癌物[13]。2000年，一項研究顯示了Hp治療對蒙古沙鼠胃癌的預防作用，根除Hp的沙鼠再患殘胃癌的概率大大降低[14]。在大多數國家，Hp的患病率仍然很高，在北歐和北美，約1/3的成年人有Hp感染，而在南歐和東歐、南美和亞洲，Hp的患病率通常高于50%[15]。在Hp感染檢測結果呈陽性的患者中，與不進行治療相比，加用Hp根除治療可降低十二指腸潰瘍或胃潰瘍的發病率。盧光榮等[16]的研究結果表明，輕、中度胃黏膜腸上皮化生（intestinal metaplasia，IM）患者根除Hp后IM程度較未根除Hp患者輕。Choi等[17]研究證實，接受過Hp根除的早期胃癌患者的異時性胃癌發生率較低，證明如果發現Hp感染，應及時進行根除。研究表明，Hp能夠通過細菌毒力因素、宿主因素和環境因素之間的復雜作用對胃黏膜細胞形成致癌影響，但該過程所涉及的確切機制仍不清楚。HIF-1α存在于所有細胞中，其在腫瘤領域的研究較為成熟。也有研究表明，胃上皮Hp感染通過介導HIF-1α的穩定性，誘導細胞增殖，抑制細胞凋亡，并最終有胃上皮的致癌作用[18]。

2 HIF-1α與胃癌

2.1 HIF-1α的基本結構和功能

Semenza和Wang[19]于1992年發現HIF-1，HIF-1是一種異二聚體，由PAS家族的兩個基本螺旋-環-螺旋蛋白組成：一個氧敏感的α亞基和一個組成型表達的β亞基，是可介導病理性和生理性低氧性反應的關鍵性轉錄因子[20]，其靶基因涉及眾多病理生理機制[21]。唯一決定HIF-1活性的氧調節亞基是HIF-1α。脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）是在哺乳動物中發現的HIF保存的羥化酶，具有3種亞型：PHD1、PHD2和PHD3，作為HIF-1α氧傳感器的調節劑參與HIF-1α的降解。

在常氧時，亞基中的保守脯氨酸殘基通過氧氣依賴性PHDS羥基化，α亞基水平受到泛素依賴性蛋白酶體的調節，很快通過蛋白酶降解[6]，因此幾乎檢測不到其表達[22]；而低氧時，HIF-1α可避免被PHD羥基化，其α亞基的降解被阻斷，而被強烈誘導表達[23]，并與HIF-1β結合形成有活性的HIF-1，從而啟動50多種下游基因，如環氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）、p53、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等的轉錄，使血管生成增多，細胞無氧代謝增加，使得腫瘤細胞在缺氧環境下可以繼續存活和增殖[24]。

2.2 HIF-1α與胃癌的關系

HIF-1α參與了多種疾病的發生與發展，包括對腫瘤缺氧基因表達的調節和參與缺氧相關的信號通路。張國福[25]對肝細胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）患者手術前后血清中HIF-1α進行對比，發現肝動脈栓塞術（transcatheter arterial embolization，TAE）治療后的HCC患者短期預后可通過血清HIF-1α的表達來評估，術后患者血清HIF-1α水平會增高，而升高較少的患者有較理想的腫瘤緩解狀況。在胃癌這種缺氧環境下，HIF-1α的表達增加會促進腫瘤血管生成[26]、調節下游轉錄因子并作為激活劑促進miRNA-421在胃癌細胞中高表達，從而抑制細胞凋亡[27]。高國安和高超[28]研究發現，HIF-1α蛋白在胃癌組織中的陽性率高于癌旁組織，且HIF-1α的表達與患者的臨床特征相關，高表達HIF-1α的胃癌患者預后不良。

有研究表明，Hp感染可以從多方面誘導HIF-1α的表達增加，而高表達的HIF-1α也會增強Hp的感染力[29]。HIF-1α在感染Hp期間的宿主防御系統中參與增強caspase 1活化和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）釋放，以進一步加強Hp的感染力，這在胃癌發生發展中尤為重要，在降低胃癌發病率、殘胃癌復發率和延長腫瘤患者生存期方面均可提供指導和幫助。本文從幾個方面敘述Hp如何誘導HIF-1α的表達。

3 Hp和HIF-1α的相互作用

3.1 Hp對HIF-1α的影響

缺氧會導致PHD活性下降，降解減少，從而導致HIF-1α蛋白增加，促進與多種細胞反應相關的基因表達，包括糖酵解代謝增加、血管生成、細胞存活和上皮-間充質轉化，這些都對腫瘤進展很重要[30]，因此，HIF-1α的激活被認為是胃癌進展的關鍵步驟。大多數人感染Hp都沒有明顯的臨床癥狀，但均顯示慢性炎癥，由于免疫細胞在炎癥部位浸潤過程中對氧氣的需求增加，導致各種表現出炎癥的組織會出現局部缺氧[31]。有研究表明，Hp感染期間會使組織缺氧，并促進HIF-1α的激活。張艷杰和李彥冬[32]通過對胃癌手術患者行13C呼氣試驗，并采用免疫組化法檢測HIF-1α表達情況，結果顯示，Hp陽性的胃癌患者胃癌組織中HIF-1α呈高表達狀態，陰性患者呈低表達狀態。Hp感染可以誘導HIF-1α的表達，因此控制Hp可以達到預防及治療胃癌的目的。

除缺氧外，HIF-1α還可以通過不依賴缺氧的機制誘導，這些機制包括酪氨酸激酶受體和下游磷脂酰肌醇-3-羥激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin kinase，MTOR）通路的激活，以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生。也有研究表明，Hp感染不僅通過信號通路，還可通過尿素酶、毒力因子等的產生來誘導HIF-1α表達[33]。

3.1.1 信號通路 在胃上皮細胞中，Hp感染改變了許多信號通路，導致了有利于增殖和凋亡的相互矛盾的反應。關于與Hp誘導的細胞周期進程相關的信號通路，PI3K/AKT通路受到了相當多的關注[34]。Canales等[35]通過細胞學方法，在Hp感染前后的胃癌細胞系AGS中分別放入PI3K抑制劑、AKT抑制劑和MTOR抑制劑，并用蛋白質印跡法測定HIF-1α的表達量，結果顯示，加入PI3K抑制劑后完全消除了對HIF-1α的誘導；而使用AKT抑制劑并不有效，證明Hp感染導致PI3K激活的刺激通過AKT和MTOR的下游激活增加HIF-1α蛋白水平，Hp誘導的PI3K/AKT激活是短暫的，在感染后相對較早發生，并且遵循與HIF-1α誘導相似的動力學[36]。也有研究結果表明，Hp感染的胃細胞促進了對PI3K/MTOR有依賴性的HIF-1α的誘導，使HIF-1α易位至細胞核，發揮其作為轉錄因子的作用[37]。在感染的情況下，該途徑的激活與通過誘導β-連環蛋白/轉錄因子淋巴樣增強因子結合因子（lymphoid enhancer binding factor，LEF）依賴性轉錄、細胞存活和細胞遷移以及通過MTOR激活增強蛋白質合成有關[38]。

3.1.2 ROS 機體內含氧并且性質活潑的物質被統稱為ROS，缺氧伴隨著ROS的增加[39]。有研究表明，Hp感染通過Hp本身或NADPH產生過多的ROS[40]，并上調人胃上皮細胞AGS和GES-1中HIF-1α的表達[41]，尤其是胃上皮的Hp感染和ROS介導的HIF-1α穩定被認為可誘導細胞增殖、抑制細胞凋亡并最終有利于胃上皮的癌變。ROS介導HIF-1α的轉錄和翻譯調控，最近的假說表明，ROS通過誘導PI3K/AKT和細胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）磷酸化在缺氧條件下增加HIF-1α的轉錄[42]。研究表明，低氧條件導致ROS的產生和HIF-1α的穩定，尤其是線粒體復合物Ⅲ產生的ROS負責在缺氧期間穩定HIF-1α。研究表明，ROS介導PHD抑制和常氧條件下HIF-1α的穩定[43]。ROS和HIF-1α信號轉導長期以來被認為與許多疾病的病理學有關，包括腫瘤、炎癥性疾病和缺血性損傷。

3.1.3 基因蛋白 Hp感染人體后會產生多種毒力因子，細胞毒素相關蛋白A（cytotoxin associated gene product A，CagA）及空泡細胞A（vacuolating cytotoxin A，VacA）是目前研究最多且致病力較強的兩種毒力因子，其與慢性胃炎和胃癌的發生密切相關。高毒性菌株表達致癌蛋白CagA，會使炎癥反應加劇，并且在幾種動物模型中都與促進腫瘤形成有關。Sirtuins蛋白家族SIRT3（recombinant Sirtuin 3，SIRT3）被稱為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴性脫乙酰酶，線粒體SIRT3通過抑制HIF-1α的表達成為腫瘤抑制因子。CagA+Hp感染還通過下調SIRT3的活性增加HIF-1α的表達，類似于胃上皮細胞的缺氧狀態。相反，SIRT3的過表達則抑制了HIF-1α蛋白的穩定性，并減弱了缺氧條件下HIF-1α轉錄活性的增加[44]。此外，在過表達SIRT3的胃上皮細胞中，CagA+Hp減弱了HIF-1α的穩定性及轉錄活性，缺乏CagA+的特定菌株無法誘導HIF-1α是因為CagA的缺乏導致脲酶活性降低，這還需要繼續研究。總之，這些發現為SIRT3在CagA+Hp介導的胃癌發生中的潛在作用以及通過抑制HIF-1α預防腫瘤的可能靶點提供了有價值的見解。

3.1.4 尿素酶 胃腔的低pH值是細菌生長的主要限制因素，為了克服這一點，Hp表達高水平的尿素酶，這種酶催化尿素水解產生氨，從而緩沖細菌的細胞質和直接環境。Hp尿素酶對感染的重要性已在動物模型中得到證實，表明缺乏該酶的突變菌株無法持續定植于胃黏膜。Valenzuela等[33-34]的研究中采用的CagA突變菌株存在一些導致尿素酶蛋白和活性降低的額外缺陷，這使得該特定菌株無法誘導HIF-1α，表明Hp尿素酶負責胃細胞中的HIF-1α誘導。也有研究表明Hp尿素酶作為配體可以通過胃細胞中的Toll樣受體2（Toll-like receptor 2，TLR2）信號轉導誘導HIF-1α活化，從而確定了Hp尿素酶的非酶作用[37]。

3.2 HIF-1α對Hp的影響

有研究表明，HIF-1α在Hp介導的胃炎中具有保護作用，Hp感染期間會使組織缺氧，并促進HIF-1α的激活。同樣，當缺氧時，HIF-1α的產生也會加強Hp的感染吞噬作用[29]。Abass等[45]的研究假設Hp誘導的炎癥小體激活可能受氧氣條件的影響，在該研究的小鼠感染模型中，IL-1β的產生也受到HIF-1α抑制劑的影響，表明HIF-1α在感染Hp期間的宿主防御系統中參與增強caspase 1活化和IL-1β釋放，以進一步加強Hp的感染力。

在之前的研究中，IL-1β和IL-18的上調在人類免疫細胞和動物模型的胃組織中得到證實，進一步的研究發現缺氧條件下Hp吞噬作用升高可能是NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）激活增強的原因，通過激活NLRP3炎癥小體產生的IL-1β升高會引發炎癥反應，例如中性粒細胞浸潤并減少胃酸分泌，從而幫助細菌定植并長期存活[46]。也有實驗發現，在感染前用HIF-1α抑制劑處理巨噬細胞可顯著降低缺氧條件下巨噬細胞吞噬Hp的速率，其原因可能與HIF-1α介導的細胞信號轉導參與Hp吞噬作用上游的觸發狀態有關[47]，并且還需要進一步的研究來探索Hp感染期間在缺氧條件下增強細胞因子產生和吞噬作用的其他機制。HIF-1α在不同海拔地區的差異性很大，高海拔地區典型的環境表現是低氧和低壓，而其正是導致疾病發生的根本原因，低氧環境下，HIF-1α被激活[48]。來自青海省的一份對于Hp的研究表明，果洛地區患者抗Hp抗體陽性表達率顯著低于西寧和格爾木地區患者，不同海拔地區胃癌患者抗Hp抗體陽性表達率不同[49]。也有一份來自西藏自治區的研究證明，定居高海拔地區的藏族居民Hp感染陽性率比移居居民高，這可能與高原缺氧居住環境相關[50]。但是Hp的感染率及感染強度是否與HIF-1α相關還需要更多的研究證明。

4 小結與展望

本綜述總結了胃癌中Hp和HIF-1α之間的相互作用，Hp感染通過氧氣、信號通路、炎癥因子、毒力因子、尿素酶和其他如髓細胞白血病因子-1（myeloid cell leukemia-1，Mcl-1）、VEGF和Lon蛋白酶等的表達介導HIF-1α蛋白表達[51]。HIF-1α的增加通過NLRP3炎癥小體和IL-1β的激活增強又加強了Hp的感染力。這些研究表明，Hp的缺氧或非缺氧途徑激活HIF-1α表達以及缺氧條件下HIF-1α的增加使得Hp更難被根除，這些都可能是加速胃癌發生的主要原因。本文依據近些年來有關胃癌和Hp的研究報道，從Hp和HIF-1α相互影響的角度深入探討了胃癌發展的分子機制。胃癌雖然是由多因素引起且形態異質的腫瘤，但Hp感染占主要因素，使其成為靶向療法的靶點，從而可以為制訂最佳治療方案提供借鑒。